基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)及利用其進行煙氣凈化的方法
【專利摘要】基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)及利用其進行煙氣凈化的方法，屬于大氣污染生態(tài)治理與修復(fù)【技術(shù)領(lǐng)域】。所述系統(tǒng)包括濕地生態(tài)系統(tǒng)、濕地水力系統(tǒng)、濕地?zé)煔膺M氣布氣系統(tǒng)三個部分，煙氣經(jīng)過換熱器溫度降低為20度以下，經(jīng)煙氣布氣干管進入安裝在濕地底部的穿孔布氣管束均勻排放進入濕地基質(zhì)層，通過濕地基質(zhì)層的吸附，微生物同化作用（利用SO2、NOx、CO2構(gòu)建生物體），水體溶解，并進一步在濕地上層的藻菌共生生態(tài)系統(tǒng)中進一步微生物凈化和濕地植物的同步吸收作用，高效凈化煙氣，形成煙氣污染物減排和溫室氣體CO2的高效回收。本發(fā)明的徑流濕地結(jié)構(gòu)簡單、施工維護方便，實現(xiàn)城市燃煤煙氣治理生態(tài)化、景觀化、節(jié)能化。
【專利說明】基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)及利用其進行煙氣凈化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于大氣污染生態(tài)治理與修復(fù)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種針對燃煤煙氣生態(tài)凈化的徑流濕地系統(tǒng)及利用該系統(tǒng)進行煙氣凈化的工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]我國是以煤炭為主要能源形式的國家，煤炭在能源中的占比達到70%，因此燃煤煙氣污染是重要的大氣環(huán)境污染成因，是霧霾天氣的禍首。隨著城市化水平的提高，人們對環(huán)境質(zhì)量要求也越來越高，但是2013年城市大氣污染形勢極為嚴峻，高污染的霧霾天氣嚴重影響了人們的生活。其中大氣污染物S02、N0x、PM都嚴重超標。
[0003]傳統(tǒng)的燃煤煙氣治理技術(shù)包括:
1、煙氣除塵:去除煙氣中的顆粒物(PM)。(I)物理方法:在煙氣尾部增加袋式除塵器；水擊除塵脫硫，但是袋式除塵成本高對PM2.5沒有效果，水擊除塵效率低；(2)靜電除塵:在煙氣尾部增加靜電除塵器，效率高成本高，但是對PM2.5去除效率低。
[0004]2、煙氣脫硫:除去煙氣中的S02。(I)化學(xué)方法:投加脫硫劑一干法爐內(nèi)脫硫，在燃煤中按比例添加脫硫劑，在燃燒過程脫硫，但是成本高對高硫煤去除效果差。濕法脫硫:在煙氣尾部增加脫硫塔，含硫煙氣通過濕霧狀的脫硫劑，霧狀脫硫劑對SO2形成高效化學(xué)吸收，脫硫效果好，成本高，會形成含新的含硫化合物、脫廢水等后續(xù)處理問題，增加工程造價。
[0005]3、煙氣脫硝:去除煙氣總的氮氧化物的過程。
[0006]4、電化學(xué)方法同步脫硫脫硝:CAEB — EPS技術(shù)是利用高能電子束(0.8?lMeV)輻照煙氣，將煙氣中的二氧化硫和氮氧化物轉(zhuǎn)化成硫酸銨和硝酸銨的一種煙氣脫硫脫硝技術(shù)。該技術(shù)的工業(yè)裝置一般采用煙氣降溫增濕、加氨、電子束輻照和副產(chǎn)物收集的工藝流程。
[0007]以上煙氣凈化技術(shù)除了在煙氣尾部增加的必要處理設(shè)施外還需要對凈化后的煙氣進行除濕等處理，降低煙氣的含水率，保證煙氣的抬升高度。建設(shè)和運行成本高，尤其是脫硝的運行成本極高，難以實施。為此提出徑流濕地生態(tài)方法同步除塵、脫硫脫硝，CO2減排的生態(tài)煙氣凈化技術(shù)。
[0008]徑流濕地是污水處理的常規(guī)成熟技術(shù)，能夠有效的去除水體中的N、P、C0D、重金屬等污染物，為了能有有效的凈化煙氣中的PM、SO2, NOx, CO2、重金屬等，燃煤煙氣首先通過熱交換器降溫后，通過布氣管道通入濕地水體中，在濕地的基質(zhì)形成吸附和水體中形成有效的溶解，由于S02、CO2本身都具有很好的親水性，易溶于水，溶于水后即可以采用濕地生態(tài)凈化技術(shù)，去除煙氣中的污染物。同時為了提高濕地的處理效率，對濕地的基質(zhì)進行改良，形成高效的基質(zhì)吸附層、同時在水體中增加仿生水草，仿生水草成為微生物、藻類生長的載體材料，提高濕地系統(tǒng)的有效生物量，充分利用反硝化細菌、硫化細菌、藻類的附著生長特定，增加微生物的密度，提高徑流濕地的處理效率。形成基質(zhì)吸附同步濕地微生物同化異化作用,濕地植物吸收、分解凈化煙氣中的污染物。[0009]傳統(tǒng)用于污水處理的徑流濕地，壤土、沙石等基質(zhì)對煙氣的各類污染物的吸收固定化效果差，水體中針對煙氣中的凈化的特效微生物如硫化細菌、反硝化細菌、藻類濃度低，不能有效凈化煙氣。故針對煙氣凈化的目的，對傳統(tǒng)的徑流濕地進行改良，提出了基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對傳統(tǒng)用于污水處理的徑流濕地，壤土、沙石等基質(zhì)對煙氣的各類特征污染物的吸收固定化效果差，水體中針對煙氣中的凈化的特效微生物如硫化細菌、反硝化細菌、藻類濃度低，不能有效凈化煙氣的功能，本發(fā)明提供了一種針對燃煤煙氣凈化的徑流濕地系統(tǒng)及利用其進行徑流濕地凈化煙氣的方法，從技術(shù)上解決了這些問題。
[0011]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，包括濕地生態(tài)系統(tǒng)、濕地水力系統(tǒng)、濕地?zé)煔膺M氣布氣系統(tǒng)三個部分，其中:
所述濕地生態(tài)系統(tǒng)包括由壩體和底板構(gòu)成的濕地、濕地基質(zhì)層、濕地仿生水草填料和濕地植物，濕地主體為由壩體的壩面圍成的水池，在濕地底板上鋪設(shè)濕地基質(zhì)層，水池內(nèi)設(shè)置有濕地仿生水草填料和濕地植物；
所述濕地水力系統(tǒng)包括進水干管、進水水平支管組、出水水平支管組、匯水槽和排水干管，進水干管從濕地前端頂部進入，進入濕地主體后轉(zhuǎn)向為與壩面平行，沿壩面伸入濕地底部，在底部轉(zhuǎn)向平行于底板后與進水水平支管組相連，出水水平支管組位于濕地末端的頂部，出水水平支管組直接插入位于壩體外部的匯水槽，匯水槽與排水干管相連；
所述濕地?zé)煔膺M氣布氣系統(tǒng)包括煙氣進氣干管和穿孔布氣管束，煙氣布氣干管在濕地前端貼近底板穿入濕地后在濕地的底部與穿孔布氣管束垂直相連。
[0012]一種利用上述濕地系統(tǒng)進行徑流濕地?zé)煔鈨艋姆椒?，其工藝過程為:
(1)來水經(jīng)過進水干管進入濕地底部，在底部經(jīng)過進水水平支管組形成在濕地底部的多點均勻進水，水在濕地基質(zhì)底部擴散，到濕地頂部的活動水面，形成由前到后的流動，到達濕地尾部，經(jīng)過位于濕地頂部的出水水平支管組對來水的多點收集后排入?yún)R水槽，經(jīng)過排水干管排入地表水體；
(2)煙氣經(jīng)過換熱器溫度降低為20度以下，經(jīng)煙氣布氣干管進入安裝在濕地底部的穿孔布氣管束均勻排放進入濕地基質(zhì)層，通過濕地基質(zhì)層的吸附，微生物同化作用，水體溶解，并進一步在濕地上層的由浮游生長的微生物與附著在仿生水草填料上的微生物共同構(gòu)成的藻菌共生生態(tài)系統(tǒng)中進一步凈化，濕地植物的同步吸收，高效凈化煙氣，形成煙氣污染物減排和溫室氣體CO2的高效回收。
[0013]上述工藝過程中，水力負荷為lm3/m2，煙氣負荷為單位面積負荷IOm3煙氣/lm2。
[0014]本發(fā)明基于燃煤煙氣的徑流濕地凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用前端底部進水，后端頂部出水的徑流性濕地水力流態(tài)。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
1、實現(xiàn)燃煤煙氣的濕地生態(tài)治理與凈化，建設(shè)成本低，運行成本低、長效性好，景觀效果好；高溫?zé)煔獾挠酂徇€可以保證濕地的冬季運行，形成冬季特色的綠色濕地景觀。
[0015]2、徑流濕地在凈化煙氣的S02、NOx, PM、重金屬的同時，還能收獲藻類、濕地植物蘆葦，作為生物質(zhì)二次開發(fā)利用。[0016]3、徑流濕地結(jié)構(gòu)簡單、施工維護方便，實現(xiàn)城市燃煤煙氣治理生態(tài)化、景觀化、節(jié)能化。
[0017]4、利用本設(shè)施可以實現(xiàn)熱能回收、低能耗、長效凈化燃煤煙氣尤其是燃煤電廠排放的煙氣的S02、NOx, PM2.5、重金屬、溫室氣體(C02、CO等)。徑流濕地在凈化煙氣的同時可以同步凈化雨水徑流、生活污水，同時具有很好的景觀和生態(tài)效能。
[0018]5、本發(fā)明涉及的徑流濕地流入煙氣SO2的凈化效率高于95% ；N0X高于85%，PM2.5聞于98%。
[0019]6、為了提供更為豐富營養(yǎng)物質(zhì)，有機物、P等，可以選擇污水處理廠二級排放的污水作為濕地用水，同步實現(xiàn)對污水的三級處理深度凈化，實現(xiàn)污水的資源化利用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)的平面布置圖；
圖2為圖1的1-1向剖面圖；
圖3為圖1的2-2向剖面圖；
圖4為穿孔布氣管束的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為圖4的b-b向剖面圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0022]【具體實施方式】一:如圖1-3所示，本實施方式的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，包括濕地生態(tài)系統(tǒng)、濕地水力系統(tǒng)、濕地?zé)煔膺M氣布氣系統(tǒng)三個部分，其中:
所述濕地生態(tài)系統(tǒng)包括濕地、濕地基質(zhì)層、濕地仿生水草填料2-8和濕地植物2-6，濕地結(jié)構(gòu)由壩體2-1和底板2-2構(gòu)成，濕地基質(zhì)層、濕地仿生水草填料2-8、濕地植物2-6構(gòu)成濕地生態(tài)系統(tǒng)。濕地主體為由四面45度放坡壩面圍成的水池，在濕地底板2-2上方鋪設(shè)有濕地基質(zhì)層，水池內(nèi)設(shè)置有濕地仿生水草填料2-8和濕地植物2-6 ；
所述濕地水力系統(tǒng)包括進水干管1-1、進水水平支管組1-2、出水水平支管組1-3、匯水槽1-4和排水干管1-5,進水干管1-1、進水水平支管組1-2構(gòu)成濕地進水布水系統(tǒng),出水水平支管組1-3、匯水槽1-4和排水干管1-5構(gòu)成濕地出水布水系統(tǒng)。進水干管1-1從濕地前端頂部進入，進入濕地主體后通過彎頭轉(zhuǎn)向為與壩面平行，沿壩面伸入濕地底部，在底部通過彎頭轉(zhuǎn)向平行于濕地底板2-2，進水干管1-1通過三通1-1-1與垂直于進水干管1-1的水平橫管1-1-2相連，橫管1-1-2上通過三通連接由多個水平相互平行的布水管組成的進水水平支管組1-2，進水水平支管組1-2通過固定支撐墩1-6固定，布水管的末端通過彎頭與喇叭口 1-1-3相連，出水水平支管組1-3高位安裝于濕地末端的頂部，出水水平支管組1-3平行于底板垂直于濕地末端壁面，出水水平支管組1-3直接插入位于壩體2-1外部的匯水槽1-4，實現(xiàn)排水匯集在匯水槽1-4中，并通過與匯水槽1-4相連的排水干管1-5排水進入地表水體。匯水槽1-4為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長度與濕地的寬度相當(dāng)。
[0023]來水經(jīng)過進水干管1-1進入濕地底部，在底部經(jīng)過多個進水水平支管組1-2，形成在濕地前端底部多點均勻進水。水在濕地基質(zhì)底部擴散，到濕地頂部的活動水面，形成由前到后的流動，到達濕地尾部，經(jīng)過位于濕地頂部的出水水平支管組1-3對來水的多點收集后排入?yún)R水槽1-4，經(jīng)過排水干管1-5排入地表水體。
[0024]所述濕地?zé)煔膺M氣布氣系統(tǒng)包括煙氣進氣干管3-1和穿孔布氣管束3-2，該系統(tǒng)用于凈化燃煤煙氣，單位面積負荷IOm3煙氣/lm2。煙氣布氣干管3-1在濕地前端，高于水面位置的高位進煙氣，通過彎頭和立管3-1-1在濕地前端貼近底板2-2穿入濕地，在濕地底部平行沿濕地長度方向通長鋪設(shè)。煙氣布氣干管3-1在濕地的底部與水平穿孔布氣管束3-2垂直相連。煙氣由煙氣布氣干管3-1進入，經(jīng)過穿孔布氣管束3-2擴散進入濕地底部的基質(zhì)層。經(jīng)過基質(zhì)吸附和濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化，實現(xiàn)對污染物的深度處理。穿孔布氣管束的開孔位置及大小為圖4-5所示。
[0025]高溫?zé)煔饨?jīng)過換熱器降溫至20度以下，經(jīng)過布置在濕地基質(zhì)底部的穿孔布氣管束均勻排放進入濕地基質(zhì)層，經(jīng)過濕地基質(zhì)吸附生物凈化污染物，同時仿生水草上微生物群落，藻菌共生水生態(tài)系統(tǒng)進一步凈化溶解在水體中的S02、NOx, CO2 (SO2, NO2, CO2易溶于水)、進一步，具有發(fā)達根系濕地植物同步吸收S02、NOx，這些豐富的生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同作用實現(xiàn)高效煙氣凈化。
[0026]【具體實施方式】二:本實施方式中，所述徑流濕地的壩體2-1和底板2-2均采用土石方加防滲土工布構(gòu)成。壩體2-1為素土夯實,上鋪防滲土工布,表面為毛石混凝土 300mm厚的護坡。濕地底板2-2與壩體2-1的結(jié)構(gòu)相同。壩體2-1高度大于lm。
[0027]【具體實施方式】三:本實施方式中，所述濕地基質(zhì)層由濕地?zé)煔馕交|(zhì)層2-3和濕地營養(yǎng)壤土層2-4構(gòu)成。濕地?zé)煔馕交|(zhì)層2-3為多孔介質(zhì)球粒結(jié)構(gòu)化爐渣，鋪設(shè)于底板2-2上，為了實現(xiàn)吸附后的生化同化凈化煙氣中的污染物，控制結(jié)構(gòu)化基質(zhì)為直徑2-5cm的球粒，球粒的孔隙率在70%，孔眼的直徑在3-5微米，根據(jù)入口煙氣中污染物的濃度選擇基質(zhì)的厚度為30-50cm，有利于硫化細菌、反硝化細菌進入基質(zhì)層實現(xiàn)微生物生化同化過程；濕地營養(yǎng)壤土層2-4為壤土，鋪設(shè)于濕地?zé)煔馕交|(zhì)層2-3之上，厚度為5cm-10cm之間。
[0028]【具體實施方式】四:本實施方式中，為了進一步提高對固定化和溶解在水體中的SO2^NOxXO2的凈化，在徑流濕地的流動相增加仿生水草生物填料2-8，仿生水草填料2-8采用以氨綸和尼龍為主的超細纖維編織片狀材料，寬5cm，長度可以根據(jù)水的深度調(diào)整，以增加附著生長的硫化細菌、反硝化細菌、微藻的生物量，實現(xiàn)高效生化凈化煙氣效果，尤其是大量的微藻能夠在光的作用下利用CO2，構(gòu)建生命體，實現(xiàn)溫室氣體回收。濕地仿生水草填料2-8通過固定繩2-7和固定樁2-5進行懸掛固定在濕地水體中。該填料為藻類和微生物生長提供載體，提高系統(tǒng)的生物量，該系統(tǒng)的生物量是沒有載體填料生物量的10-20倍，進而提聞系統(tǒng)的凈化效率。
[0029]【具體實施方式】五:本實施方式中，針對煙氣凈化的需求,濕地植物2-6選擇特效對S02、N0x耐受性強的蘆葦，蘆葦?shù)姆N植密度為2株/m2。蘆葦具有很好的耐污性能尤其耐S02，而且其發(fā)達的根系能夠有效的吸收基質(zhì)吸附和水體溶解的污染物(S、N等作為合成蛋白質(zhì)的重要元素)。
【權(quán)利要求】
1.基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括濕地生態(tài)系統(tǒng)、濕地水力系統(tǒng)、濕地?zé)煔膺M氣布氣系統(tǒng)三個部分，其中: 所述濕地生態(tài)系統(tǒng)包括由壩體和底板構(gòu)成的濕地、濕地基質(zhì)層、濕地仿生水草填料和濕地植物，濕地主體為由壩面圍成的水池，在濕地底板上鋪設(shè)濕地基質(zhì)層，濕地水體內(nèi)安裝有濕地仿生水草填料和種植濕地植物； 所述濕地水力系統(tǒng)包括進水干管、進水水平支管組、出水水平支管組、匯水槽和排水干管，進水干管從濕地前端頂部進入，進入濕地主體后轉(zhuǎn)向為與壩面平行，沿壩面伸入濕地底部，在底部轉(zhuǎn)向平行于底板后與進水水平支管組相連，出水水平支管組位于濕地末端的頂部，出水水平支管組直接插入位于壩體外部的匯水槽，匯水槽與排水干管相連； 所述濕地?zé)煔膺M氣布氣系統(tǒng)包括煙氣進氣干管和穿孔布氣管束，煙氣布氣干管在濕地前端貼近底板穿入濕地后在濕地的底部與穿孔布氣管束垂直相連，形成在濕地底部多點均勻分布煙氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，其特征在于所述壩體和底板均采用土石方加防滲土工布構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，其特征在于所述壩體為素土夯實，上鋪防滲土工布，表面為毛石混凝土 300mm厚的護坡,壩體高度大于lm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，其特征在于所述濕地基質(zhì)層由濕地?zé)煔馕交|(zhì)層和濕地營養(yǎng)壤土層構(gòu)成，濕地?zé)煔馕交|(zhì)層鋪設(shè)于底板上，濕地營養(yǎng)壤土層鋪設(shè)于濕地?zé)煔馕交|(zhì)層之上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，其特征在于所述濕地?zé)煔馕交|(zhì)層為多孔介質(zhì)球粒結(jié)構(gòu)化爐渣，球粒直徑為2-5cm，球粒的孔隙率在70%，孔眼的直徑在3-5微米。`
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，其特征在于所述濕地營養(yǎng)壤土層為壤土，鋪厚度為5cm-10cm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，其特征在于所述仿生水草填料采用以氨綸和尼龍為主的超細纖維編織片狀材料，寬5cm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，其特征在于所述濕地植物為蘆葦。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)，其特征在于所述蘆葦?shù)姆N植密度為2株/m2。
10.一種利用權(quán)利要求1-9任一權(quán)利所述的基于燃煤煙氣凈化徑流濕地系統(tǒng)進行煙氣凈化的方法，其特征在于所述方法步驟如下: (1)來水經(jīng)過進水干管進入濕地底部，在底部經(jīng)過進水水平支管組形成在濕地底部的多點均勻進水，水在濕地基質(zhì)底部擴散，到濕地頂部的活動水面，形成由前到后的流動，到達濕地尾部，經(jīng)過位于濕地頂部的出水水平支管組對來水的多點收集后排入?yún)R水槽，經(jīng)過排水干管排入地表水體； (2)煙氣經(jīng)過換熱器溫度降低為20度以下，經(jīng)煙氣布氣干管進入安裝在濕地底部的穿孔布氣管束均勻排放進入濕地基質(zhì)層，通過濕地基質(zhì)層的吸附，微生物同化作用，水體溶解，并進一步在濕地上層的由浮游生長的微生物與附著在仿生水草填料上的微生物共同構(gòu)成的藻菌共生生態(tài)系統(tǒng)中進一步凈化，濕地植物的同步吸收，高效凈化煙氣，形成煙氣污染物減排和溫室氣體 CO2的高效回收。
【文檔編號】B01D53/84GK103657398SQ201310747569
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】王麗, 王琳, 王麗杰, 何玉榮, 李浩然, 霍玉鑫 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)